CN104868525B - 一种馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，一是通过分析超级电容初始端电压的变化对电机阻尼特性的影响，结合LQG控制器主动控制提取的直线电机最优工作点，确定涵盖电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压。二是通过分析不同占空比下超级电容初始端电压对超级电容回收能量的影响。两者结合，最终确定超级电容充放电工作模式的上下阀值。本发明能够在保证电机作动力要求亦即车辆操纵稳定性的同时，提高馈能悬架系统能量回收的效率，进而降低车身的油耗。

Description

一种馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法

技术领域

本发明涉及汽车能量回收领域，更确切的说是涉及一种基于直线电机的振动能量回收领域。

背景技术

随着能源危机、环境污染的加剧，如何降低车身的能耗受到了社会各界的关注。馈能悬架的提出和研究具有较高的反响，馈能悬架系统可以实现保证车身舒适性的同时回收部分车身振动产生的能量，但是相关的研究并未给出就如何提高系统能量回收效率的方法。论文《车辆主动悬架用电机作动器的研制》中将电机应用到馈能悬架中，并给出了对于馈能主动悬架的控制电路，但是没有就能量回收效率方面做出相关研究。专利号为：N201410176613.0的专利《一种馈能悬架系统与控制方法》中只是给出了对馈能悬架的控制方法，却未给出关于馈能效率方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种馈能悬架系统超级电容模式切换的方法，在实现满足电机作动力要求的同时，提高能量回收的效率。

本发明的技术方案为：一种馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建DC-DC直流升压变换器的电路；

步骤2，搭建基于直线电机主动控制的LQG控制器；

步骤3，确定直线电机在不同超级电容初始端电压下的电磁阻尼特性；

步骤4，根据步骤2所述的LQG控制器提取直线电机的最优工作点；

步骤5，根据步骤3所述的电磁阻尼特性和步骤4所述的最优工作点，确定涵盖直线电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀；

步骤6，步骤1所述的电路原理图中包含一个超级电容组，一个MOS管，所述的MOS管的驱动信号在不同占空比下，给所述的超级电容两端加载不同的初始端电压，绘制超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化的趋势图；

步骤7，根据步骤6所述的超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化趋势图，初步确定满足最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]；

步骤8，通过分析步骤5所述的U₀与步骤7所述的[U_min，U_max]的大小关系，确定超级电容模式切换的上下限阀值。

进一步，所述步骤2中LQG控制器的具体搭建步骤为：

步骤2.1，在给定的车身参数，以及轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权系数的基础上，利用黎卡提方程求出最优控制反馈增益矩阵；

步骤2.2，在MATLAB中输入得到的最优控制反馈增益矩阵，并输入在MATLAB命令行中输入lqg后回车，便可得到LQG控制器；所述LQG控制器是建立在系统理想模型的基础之上的，对系统要求为：系统的传递特性是线性的，系统的控制输入和状态响应以加权二次标准型的形式表示，系统输入是符合高斯分布的白噪声，系统各种状态均可测。

进一步，所述步骤3中直线电机在不同超级电容初始端电压下的电磁阻尼特性确定的步骤为：

给超级电容以不同的初始端电压u₁，u₂，u₃，…，u_n，绘出选定的直线电机电磁阻尼力随电机工作速度变化的关系图，并在横坐标上标出克服死区所需的临界速度v_m，所述v_m定义为超级电容端电压与直线电机反电势系数的比值。

进一步，所述步骤4中的直线电机的最优工作点提取的步骤为：通过LQG控制器对已定型号的直线电机进行主动控制，得到直线电机随其工作速度变化最优工作点的关系图。

进一步，所述步骤7中确定最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]的具体过程为：

通过仿真及实验分析MOS管驱动信号的特定占空比30％、50％、70％三种情形下，超级电容在一定时间内回收的能量大小与给定的超级电容初始端电压U₁，U₂，U₃，…，U_n之间的关系，选取能量连续较大部分对应的超级电容初始端电压区间，所述超级电容能量w由公式w＝0.5×c×(u_末 ²-u_初 ²)得出，其中c为超级电容的大小(单位F)，u_初为电路工作前超级电容的初始端电压(单位V)，u_末为电路工作所述一定时间后超级电容的端电压(单位V)。

进一步，所述步骤8中超级电容模式切换的上下限阀值的确定：

通过比较U₀与U_min、U_max的大小关系来实现，若U₀＜U_min，超级电容工作模式切换的上下限阀值定为U_max、U_min；若U_min≤U₀＜U_max，取U₀为下限阀值、U_max为上限阀值；若U₀≥U_max，取U_max为下限阀值、U_max+δ为上限阀值，δ＞0，δ为：U_max的正增量，其值可根据判断切换是否频繁、不同路况电机所需作动力变化区间所需的U₀具体情况而定。

与现有技术相比，本发明的馈能悬架系统超级电容模式切换的依据具有以下优点：

1.通过LQG控制器的主动控制可得电机的最优工作点，结合超级电容初始端电压对电机作动力的影响，可以确定涵盖电机最优工作点的超级电容初始端电压。

2.确定了超级电容模式切换的上下限阀值，能够在保证电机作动力要求亦即车辆操纵稳定性的同时，提高馈能悬架系统能量回收的效率，进而降低车身的油耗。

附图说明

图1为DC/DC变换器的电路原理图；

图2超级电容模式切换的原理图；

图3为电机作用力随电机工作速度变化图；

图4为不同占空比下超级电容回收的能量随超级电容初始端电压变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的模式切换方法做更加详细的阐述：

本发明的主要目的：满足电机作动力的同时，提高馈能悬架系统的馈能效率。超级电容模式切换的依据包括两方面内容：一是通过分析超级电容初始端电压的变化对电机阻尼特性的影响，结合LQG控制器主动控制提取的直线电机最优工作点，确定涵盖电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压。二是通过分析不同占空比下超级电容初始端电压对超级电容回收能量的影响。两者结合，最终确定超级电容充放电工作模式的上下限阀值。本发明通过对boost物理模型的仿真及实验发现，超级电容回收的能量的大小与超级电容的初始端电压存在一定关系：在不同占空比下超级电容回收的能量总是随着超级电容初始端电压的增大而先增大后减小。由式可得电机作用力变化区间：U_c·k_i/R，其中k_e为直线电机反电势系数；k_i为直线电机推力系数；R为电机等效内阻。k_i和R为常数，因此，超级电容初始端电压U_c越大，电机可变区间就越大。综合超级电容初始端电压对能量回收及电机作用力的影响，提出了一种超级电容充放电的模式切换，并提供模式切换的依据。

如图1所示，本发明的一种馈能悬架系统超级电容模式切换的方法，所述的DC-DC直流升压变换器的电路原理图包括：电源U，电感L，MOS管M，二极管D，超级电容C。所述的电源U的正极端与电感L的一端相连，所述电感L的另一端分别连接MOS管M的漏极及二极管D的正极端，所述二极管D的负极端与超级电容C的正极端相连，所述超级电容C的负极端与MOS管M的源极及电源U的负极端相连。

如图2所示，本发明的一种馈能悬架系统超级电容模式切换的方法，通过LQG控制器的主动控制提取直线电机的最优工作点，给超级电容以不同的初始端电压u₁，u₂，u₃，…，u_n分析电机的电磁阻尼特性，选择涵盖电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀。通过分析在不同占空比下，超级电容的能量率随超级电容初始端电压u₁，u₂，u₃，…，u_n变化的趋势，初步确定满足最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]。综合U₀与[U_min，U_max]的大小关系，确定超级电容模式切换的上下限阀值。(LQG控制器是建立在系统理想模型的基础之上的，对系统要求为：系统的传递特性是线性的(Linear)，系统的控制输入和状态响应以加权二次标准型(Quadratic)的形式表示，系统输入是符合高斯分布(Gaussain distributed)的白噪声，系统各种状态均可测。LQG即为：Linear QuadraticGaussian线性二次高斯的简称。)

在电机绕组短接及超级电容初始端电压分别为6V、12V、24V、36V情况下，电机作用力与最优工作点的分布关系随电机工作速度的变化如图3所示。当超级电容的初始端电压达到19V时，电机作用力的变化区间已经基本涵盖电机的最优工作点，对于此款电机，所述的U₀可定为19V。

图4为交流电源下，占空比分别为30％、50％、70％三种情况，超级电容10s内回收的能量w随超级电容初始端电压的变化规律。随着超级电容初始端电压的增加，w总是先增大后减小。选定所述的U_min的值为18V，U_max的值为24V。在[18V，24V]区间内，三种占空比下对应的超级电容回收的能量效率均较高。

所述的涵盖电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀，满足所述的U_min≤U₀＜U_max这种情形，因此定下超级电容模式切换的下限阀值为19V，上限阀值为24V。

为此，本发明的具体方法步骤为：

步骤1，搭建DC-DC直流升压变换器的电路；

步骤2，搭建基于直线电机主动控制的LQG控制器；所述步骤2中LQG控制器的具体搭建步骤为：

步骤2.1，在给定的车身参数，以及轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权系数的基础上，利用黎卡提方程求出最优控制反馈增益矩阵；

步骤2.2，在MATLAB中输入得到的最优控制反馈增益矩阵，并输入在MATLAB命令行中输入lqg后回车，便可得到LQG控制器；所述LQG控制器是建立在系统理想模型的基础之上的，对系统要求为：系统的传递特性是线性的，系统的控制输入和状态响应以加权二次标准型的形式表示，系统输入是符合高斯分布的白噪声，系统各种状态均可测。

步骤3，确定直线电机在不同超级电容初始端电压下的电磁阻尼特性；电磁阻尼特性确定的步骤为：给超级电容以不同的初始端电压u₁，u₂，u₃，…，u_n，绘出选定的直线电机电磁阻尼力随电机工作速度变化的关系图，并在横坐标上标出克服死区所需的临界速度v_m，所述v_m定义为超级电容端电压与直线电机反电势系数的比值。

步骤4，根据步骤2所述的LQG控制器提取直线电机的最优工作点；直线电机的最优工作点提取的步骤为：通过LQG控制器对已定型号的直线电机进行主动控制，得到直线电机随其工作速度变化最优工作点的关系图。

步骤5，根据步骤3所述的电磁阻尼特性和步骤4所述的最优工作点，确定涵盖直线电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀；最小超级电容初始端电压U₀具体确定过程为：在MATLAB中将上述的选定直线电机电磁阻尼力随电机工作速度变化的关系图，上述的直线电机随其工作速度变化最优工作点的关系图绘制在基于同一坐标轴的图形中，得到直线电机最优工作点的分布与超级电容初始端电压之间的关系图，从而确定直线电机电磁阻尼力包含最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀。

步骤6，步骤1所述的电路原理图中包含一个超级电容组，一个MOS管，所述的MOS管的驱动信号在不同占空比下，给所述的超级电容两端加载不同的初始端电压，绘制超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化的趋势图；

步骤7，根据步骤6所述的超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化趋势图，初步确定满足最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]；确定最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]的具体过程为：

通过仿真及实验分析MOS管驱动信号的特定占空比30％、50％、70％三种情形下，超级电容在一定时间内回收的能量大小与给定的超级电容初始端电压U₁，U₂，U₃，…，U_n之间的关系，选取能量连续较大部分对应的超级电容初始端电压区间，所述超级电容能量w由公式w＝0.5×c×(u_末 ²-u_初 ²)得出，其中c为超级电容的大小(单位F)，u_初为电路工作前超级电容的初始端电压(单位V)，u_末为电路工作所述一定时间后超级电容的端电压(单位V)。

步骤8，通过分析步骤5所述的U₀与步骤7所述的[U_min，U_max]的大小关系，确定超级电容模式切换的上下限阀值。超级电容模式切换的上下限阀值的确定：

通过比较U₀与U_min、U_max的大小关系来实现，若U₀＜U_min，超级电容工作模式切换的上下限阀值定为U_max、U_min；若U_min≤U₀＜U_max，取U₀为下限阀值、U_max为上限阀值；若U₀≥U_max，取U_max为下限阀值、U_max+δ为上限阀值，δ＞0，δ为：U_max的正增量，其值可根据判断切换是否频繁、不同路况电机所需作动力变化区间所需的U₀具体情况而定。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，搭建DC-DC直流升压变换器的电路；

步骤2，搭建基于直线电机主动控制的LQG控制器；

步骤3，确定直线电机在不同超级电容初始端电压下的电磁阻尼特性；

步骤4，根据步骤2所述的LQG控制器提取直线电机的最优工作点；

步骤5，根据步骤3所述的电磁阻尼特性和步骤4所述的最优工作点，确定涵盖直线电机最优工作点所需的最小超级电容初始端电压U₀；

步骤6，步骤1所述的电路原理图中包含一个超级电容，一个MOS管，所述的MOS管的驱动信号在不同占空比下，给所述的超级电容两端加载不同的初始端电压，绘制超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化的趋势图；

步骤7，根据步骤6所述的超级电容回收能量的效率随超级电容初始端电压变化趋势图，初步确定满足最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]；

步骤8，通过分析步骤5所述的U₀与步骤7所述的[U_min，U_max]的大小关系，确定超级电容模式切换的上下限阀值。

2.根据权利要求1所述的馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于，所述步骤2中LQG控制器的具体搭建步骤为：

步骤2.1，在给定的车身参数，以及轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权系数的基础上，利用黎卡提方程求出最优控制反馈增益矩阵；

步骤2.2，在MATLAB中输入得到的最优控制反馈增益矩阵，并在MATLAB命令行中输入lqg后回车，便可得到LQG控制器；所述LQG控制器是建立在系统理想模型的基础之上的，对系统要求为：系统的传递特性是线性的，系统输入和状态响应以加权二次标准型的形式表示，系统输入是符合高斯分布的白噪声，系统各种状态均可测。

3.根据权利要求1所述的馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于，所述步骤3中直线电机在不同超级电容初始端电压下的电磁阻尼特性确定的步骤为：

给超级电容以不同的初始端电压u₁，u₂，u₃，…，u_n，绘出选定的直线电机电磁阻尼力随电机工作速度变化的关系图，并在横坐标上标出克服死区所需的临界速度v_m，所述v_m定义为超级电容端电压与直线电机反电势系数的比值。

4.根据权利要求3所述的馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于，所述步骤4中的直线电机的最优工作点提取的步骤为：通过LQG控制器对已定型号的直线电机进行主动控制，得到直线电机随其工作速度变化最优工作点的关系图。

5.根据权利要求1所述的馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于，所述步骤7中确定最优能量回收效率的超级电容初始端电压区间[U_min，U_max]的具体过程为：

通过仿真及实验分析MOS管驱动信号的特定占空比30％、50％、70％三种情形下，超级电容在一定时间内回收的能量大小与给定的超级电容初始端电压U₁，U₂，U₃，…，U_n之间的关系，选取能量连续较大部分对应的超级电容初始端电压区间，所述超级电容能量w由公式w＝0.5×c×(u_末 ²-u_初 ²)得出，其中c为超级电容的大小，u_初为电路工作前超级电容的初始端电压，u_末为电路工作所述一定时间后超级电容的端电压。

6.根据权利要求1所述的馈能悬架系统直线电机超级电容模式切换方法，其特征在于，所述步骤8中超级电容模式切换的上下限阀值的确定：

通过比较U₀与U_min、U_max的大小关系来实现，若U₀＜U_min，超级电容工作模式切换的上下限阀值定为U_max、U_min；若U_min≤U₀＜U_max，取U₀为下限阀值、U_max为上限阀值；若U₀≥U_max，取U_max为下限阀值、U_max+δ为上限阀值，δ＞0，δ为：U_max的正增量，其值可根据判断切换是否频繁、不同路况电机所需作动力变化区间所需的U₀具体情况而定。